双曲扁壳类汽车覆盖件刚度的试验研究

赵立红，邢忠文，雷呈喜，张晓辉

(1.哈尔滨工程大学工程训练中心，哈尔滨 150001;2.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001)

近年来，围绕节能、节材、环保、低耗为目标使汽车轻量化技术成为世界汽车主要发展方向之一，亦是汽车行业的一个重要研究课题.这一发展趋势促使许多轻质高强度钢板等新材料引入汽车制造业［1-6］.而汽车覆盖件另一发展趋势就是大曲面流线型结构设计，即覆盖件外型趋于平坦，这种流线设计可以有效地降低风阻，从而降低油耗.然而，汽车覆盖件的这两种发展趋势也使汽车覆盖件的刚度问题越来越突出［7］.板材料的厚度和曲率是影响汽车覆盖件刚度的两个最主要因素，研究表明，板材的厚度越小，曲率越小，刚度越小.目前国内外研究学者对刚度问题的研究已取得了一定的研究成果［8-11］.本课题组针对单曲面扁壳件展开相关刚度研究，并取得突破性研究成果，总结出零件几何形状、材料性能参数、成形工艺参数以及回弹对单曲面扁壳件刚度的影响规律［12-14］.而双曲扁壳类覆盖件的成形、卸载回弹及刚度加载测试时的变形凹陷挠曲不同于单曲扁壳件，是个十分复杂的几何非线性问题［15-16］.本研究将对全面认识曲面扁壳类覆盖件刚度问题研究具有重要理论与工程应用意义.

1 双曲扁壳件成形及刚度测试

轿车顶盖、发罩盖板及车门等均具有曲面扁壳的几何特征.因此，以双曲面扁壳为试验研究模型，对其完成不同工艺条件、不同材料和几何条件下的成形试验，在其卸载回弹后，再进行刚度加载测试试验，由此展开双曲扁壳件覆盖件刚度问题研究.

1.1 双曲扁壳件试验模型的建立

双曲扁壳件(双曲面是由固定曲率半径的圆弧线沿着另一弧线移动而形成的曲面)成形凸模几何参数如表1所示.双曲扁壳件的成形是在YH-32四柱式2 000 kN液压机上完成的，该液压机可实现压边力的无级调节，以完成不同压边力下的拉深成形.试验板料毛坯尺寸为400 mm×300 mm.双曲面扁件成形模具如图1所示.图2为成形后的双曲面扁壳件.

表1 双曲扁壳件成形凸模几何参数 mm

图1 双曲扁壳件成形模具

图2 双曲面扁壳件

1.2 试验材料

试验选用的板材性能参数见表2.实验材料均为汽车覆盖件用冷轧钢板.1#材料牌号为Q235，厚度分别为0.5，0.6，0.8 mm;2#材料牌号为st12，厚度分别为0.5，0.6，0.7 mm;3#材料是镀锌钢板，厚度为0.5 mm.

表2 板材材料性能参数

1.3 刚度测试试验

双曲面扁壳件的刚度测试是在自主开发设计的便携式刚度测试仪上完成的，便携式刚度测试仪本体如图3所示.该刚度测试仪采用单悬臂梁组合式结构，便于测试仪的携带、运输及现场安装，可以针对各类曲面形状覆盖件上的任意点做三维空间任意调整，以完成对被测点施加法向载荷，准确测得覆盖件的刚度值.扁壳件刚度测试装置如图4所示.被测覆盖件的刚度值是通过对试件中心加载而产生的力和位移曲线得到的，刚度值评价采用初始点斜率法［14］.

图3 便携式刚度测试仪本体

刚度测试时，对扁壳件的约束方式有5种，分别记为YS1，YS2，YS3，YS4，YS5.5种约束方法的布置方式见表3.图4即为表3中的第I种约束方式YS1.YS2，YS3，YS4这3种约束方式是在YS1基础上，对扁壳件长、短边约束布置不同而产生.而约束方式YS5(图5所示)不同于前4种，其基本保留了扁壳件成形后的型面特征的自由约束状态.

表3 刚度测试约束形式

图5 刚度测试时的第V种约束方式

2 试验结果与分析

覆盖件的刚度受多种复杂因素影响，分析覆盖件几何形状(板料厚度)、冲压工艺条件(压边力，拉深深度)和材料性能参数等对汽车覆盖件刚度的影响规律，可以为提高汽车覆盖件的刚度提供理论与实践依据.

2.1 压边力对刚度的影响

为准确获得压边力对刚度的影响规律，进行刚度测试试验时，采取合适的扁壳件的约束方式对试验结果的准确性有重要影响.由前述单曲面扁壳件试验得知，约束的改变对刚度的影响要远大于工艺条件对刚度的影响［8］.对于 1#，2#，3#材料，成形时拉深深度为h=30 mm，压边力(BHF)分别为1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.6，2.8 MPa时，分别测出在约束方式YS1下(图4所示)，试件的刚度值(K0).图6，图7为1#和2#材料在约束方式YS1下压边力与刚度的关系.图8为3#材料在5种约束方式下，压边力与刚度的关系.

图6 1#材料在约束方式YS1下压边力与刚度的关系

图7 2#材料在约束方式YS1下压边力与刚度的关系

图8 3#材料5种约束条件下压边力与刚度的关系

由图 6可以看出，对于 1#材料，0.5，0.6，0.8 mm的3种厚度材料，在约束条件YS1下，刚度值随着压边力的变化不明显.但随着厚度的增加，厚度为0.8 mm的材料，压边力随着厚度的增加有增大趋势.由图7可以看到，对于2#材料，在约束条件YS2下，0.5，0.6，0.7 mm的3种厚度的材料，刚度值均随压边力的增大有增加趋势.

图8为3#材料分别在5种约束条件下测得的，在不同压边力下刚度的变化情况，可以看到，前4种约束条件下，刚度值随着压边力的增大无明显变化均势.而在约束条件YS5下，刚度随着压边力的增大有增加趋势.可见，约束方式对刚度的影响非常突出.在YS5情况下，其约束方式几乎对各成形工艺条件下的扁壳件型面无影响，可认为近自由约束条件下，可准确获得扁壳件在各工艺成形条件下对刚度的影响规律.为此，采取约束方式YS5下，测得不同厚度1#和2#材料刚度与压边力的关系，如图9和图10所示.

图9 1#材料在约束方式YS5下压边力与刚度的关系

图10 2#材料在约束方式YS5下压边力与刚度的关系

由图9和图10可以看出，在约束条件YS5下，对于不同厚度的1#和2#材料，其刚度均随着压边力的增大有增大趋势.

2.2 拉深深度对刚度的影响

拉深深度是板料成形工艺参数之一，从变形量影响来看，拉深深度的变化会影响覆盖件在成形时厚度方向的变形量，即会引起厚度减薄.由前期研究结果来看，厚度对刚度有较大影响，即厚度越小，刚度越小.因此，从厚度影响的角度来说，刚度应随着拉深深度的增大而减小.为研究拉深深度对刚度的实际影响，在不同的拉深深度工艺条件下，取板厚0.6 mm的1#材料和2#材料，成形不同深度的试件，拉深深度(h)分别为30，32.5，35，37.5，40 mm，成形时的压边力为1.5 MPa.在试件中心处加载，获得以上各拉深深度的刚度值，由此得出拉深深度与刚度的关系，如图11和图12所示，可以看到，拉深深度越大，刚度也越大.这说明，在满足基本成形质量条件下，拉深深度的加大，一方面会造成厚度薄，另一方面随着变形程度的增大，也改善了扁壳件曲面区域变形的均匀性，其影响要大于厚度减薄对刚度的影响，从而使其刚度增加.

图11 2#材料拉深深度与刚度的关系

图12 1#材料拉深深度与刚度的关系

3 结 论

1)刚度测试时的约束方式对刚度有重要影响，约束越大，刚度越大;约束方式的改变对刚度的影响要远大于成形工艺条件，即压边力和拉深深度对刚度的影响.

2)分析得出刚度测试分析时的最佳约束方式Ⅴ.在汽车覆盖件实际应用中可以考虑加大对汽车覆盖件的约束与固定以提高刚度.同种覆盖件在做刚度测试分析时，一定要确保约束条件的一致.

3)刚度值随着压边力的增加而增大;成形时的拉深深度越大，刚度值也越大.上述工艺条件的改变对刚度的影响远大于厚度减薄对刚度的影响.

压边力的增加以及拉深深度的增大，都提高了成形件的变形程度，减少回弹，并改善变形的均匀性，这些因素均对提高汽车覆盖件刚度有利.实际生产中，可以通过调整成形时的工艺参数以提高汽车覆盖件的刚度.研究结果亦将为提高汽车覆盖件的刚度提供理论与实践依据.

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